Healthy and Retinal Disease-Specific Human-Induced Pluripotent Stem Cells에서 망막 오가노이드 생성

망막은 척추동물의 눈 뒤쪽에 존재하는 빛에 민감한 조직으로, 광전달 경로로 알려진 생화학적 현상에 의해 빛 신호를 신경 자극으로 변환합니다. 망막의 광수용체 세포에서 생성된 초기 신경 자극은 다른 망막 중간 뉴런과 망막 신경절 세포(RGC)로 변환되어 뇌의 시각 피질에 도달하여 이미지 인식 및 시각 반응을 돕습니다.

세계보건기구(WHO)에 따르면 약 150만 명의 어린이가 맹인이며 그 중 100만 명이 아시아에 있습니다. 유전성 망막 이영양증(Inherited Retinal Dystrophy, IRD)은 전 세계 인구 4,000명 중 1명에게 영향을 미치는 주요 실명 질환이며^1,2,3, 개발도상국에서는 연령 관련 황반변성(AMD)과 관련된 실명 유병률이 0.6%-^1.1%에 이른다⁴. IRD는 망막 발달 및 기능에 관여하는 300개 이상의 서로 다른 유전자의 유전적 결함에 의해 발생한다⁵. 이러한 유전적 변화는 정상적인 망막 기능의 파괴와 망막 세포, 즉 광수용체 세포와 망막 색소 상피(RPE)의 점진적인 퇴행을 초래하여 심각한 시력 상실 및 실명을 초래합니다. 각막, 수정체 등과 관련된 다른 실명 상태에서 엄청난 진전이 이루어졌습니다. 그러나 망막 이영양증과 시신경 위축은 현재까지 입증된 치료법이 없습니다. 성체 인간 망막에는 줄기세포가 없기 때문에⁶, 배아줄기세포(ESC)와 환자 유래 유도만능줄기세포(iPSC)와 같은 대체 공급원은 원하는 세포 유형을 무제한으로 공급할 수 있으며, 체외 질환 모델링 연구 및 재생 요법 개발에 필요한 복잡한 조직 오가노이드 개발에 큰 가능성을 지니고 있다^{7. 8,9,10}.

수년간의 망막 연구를 통해 초기 망막 발달을 조율하는 분자 사건에 대한 더 나은 이해가 이루어졌습니다. PSC에서 망막 세포와 3D 오가노이드를 생성하는 대부분의 프로토콜은 알려진 생물학적 과정을 단계적으로 조절하기 위해 성장 인자와 소분자의 복잡한 칵테일에서 세포를 배양함으로써 시험관 내에서 이러한 발달 사건을 요약하는 것을 목표로 합니다. 이렇게 생성된 망막 오가노이드는 망막 신경절 세포(RGC), 중간 뉴런, 광수용체 및 망막 색소 상피(RPE)와 같은 주요 망막 세포로 구성됩니다.11,12,13,14,15,16,17,18,19. 망막 오가노이드를 사용하여 IRD를 모델링하려는 성공적인 시도에도 불구하고, 분화 중 성장 인자와 소분자의 복잡한 칵테일에 대한 요구 사항과 망막 오가노이드 생성의 상대적으로 낮은 효율은 대부분의 프로토콜에서 주요 과제를 제기합니다. 그들은 주로 배아체의 형성을 포함하고, 시험관 내 발달의 여러 단계에서 복잡한 배양 조건을 사용하여 망막 계통으로의 단계적 분화를 포함합니다^20,21,22.

여기에서는 건강한 대조군 및 망막 질환 특이적 hiPSC에서 복잡한 3D 신경-망막 오가노이드를 개발하는 간단하고 강력한 방법이 보고되었습니다. 여기에 설명된 프로토콜은 배아체 형성 없이 거의 합류에 가까운 hiPSC 배양의 직접적인 분화를 활용합니다. 또한 배양 배지의 복잡성이 단순화되어 새로운 연구자들이 쉽게 채택할 수 있는 비용 효율적이고 재현 가능한 기술입니다. 여기에는 망막 분화의 처음 4주 동안 뚜렷하고 자기 조직화된 안구 필드 원시 클러스터(EFP)가 출현할 때까지 부착성 단층 배양으로 구성된 하이브리드 배양 시스템이 포함됩니다. 또한, 각 EFP 내의 원형 신경-망막 섬을 수동으로 채취하여 1-2주 동안 현탁 배양에서 성장시켜 PAX6+ 및 CHX10⁺ 증식 신경-망막 전구체로 구성된 다층 3D 망막 컵 또는 오가노이드를 준비합니다. 100μM 타우린 함유 배지에서 추가로 4주 동안 망막 오가노이드를 장기간 배양한 결과 RCVRN+ 및 CRX⁺ 광수용체 전구체와 기본적인 내부 세그먼트 유사 확장을 가진 성숙 세포가 출현했습니다.